Weitgespannte, stählerne Straßenbrücke über die BAB A73 / Brücke Suhl Lichtenfels

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1 Weitgespannte, stählerne Straßenbrücke über die BAB A73 / Brücke Suhl Lichtenfels Versuchstechnische Untersuchungen im Rahmen der Zustimmung im Einzelfall Prof. Dr.-Ing. Ömer Bucak Labor für Stahl- und Leichtmetallbau Hochschule München FK02

2 Das Labor ist eine vom DIBt bauaufsichtlicht anerkannte Prüf-,Überwachungs- und Zertifizierungsstelle Kennziffer: BAY27 NB Prüfstelle für die Erteilung allgemeiner bauaufsichtlichter Prüfzeugnisse, - Prüfungstelle von Bauprodukten zur Ausstellung von Übereinstimmungszertifikaten, - Zertifizierungsstelle, - Überwachungsstelle für Fremdüberwachungen, - Überwachungsstelle für Überwachung nach Art. 19 Abs. 6BayBO anerkannt nach : - der Landesbauordnung (BayBO, Kennziffer BAY27) - dem Bauproduktengesetz (BauPG, NB 1643) Seite 2

3 für Bauprodukte im Bereich: Stahl Glas Aluminium Fügetechnik und ebenfalls tätig in den Bereichen: Holzbau Sandwichelemente Brandschutz Seile Klebtechnik Seite 3

4 4 Standorte im Süden Deutschlands Weingarten Büro und Prüflabor München - Lothstraße Labor Kissing Prüfhalle München - Karlstraße Hauptbüro Seite 4

5 Brücke Suhl- Lichtenfels Konstruktionsbeschreibung Verfahrensprüfung Statische Nachweisführung der Knotenpunkte (Maßstabseffekt, Strukturspannungsmethode) UIT - Nachbehandlungsverfahren Ermüdungsversuche zur versuchstechnischen Nachweisführung unter Berücksichtigung Nachbehandlung / Reparaturverfahren (Wöhler / Prüfaufbau) b Ergebnisse Schwenktraverse Trägerrostfuge Seite 5

6 Konstruktionsbeschreibung Verkehrsprojekt Deutsche Einheit Nr. 16 BW 67-1 Überführung der Kreisstraße LIF 2 Verkehrsprojekt dt. Einheit BAB A 73 => Thüringer Raum soll erschlossen und damit Thüringen mit Bayern, also Franken verbunden werden Stahlverbundbrücke überspannt A 73 Suhl Lichtenfels im Regierungsbezirk Oberfranken Seite 6

7 Konstruktionsbeschreibung Durch die exponierte Lage (Kloster Banz / Nordrand Maintal) hoher gestalterischer Anspruch Seite 7

8 Konstruktionsbeschreibung Örtlicher Geländeeinschnitt von ca. 20 m Keine Verwendung von Gussknoten und Lager minimieren die Herstellungskosten und stellen eine innovative Bauweise dar Transparenz und Leichtigkeit durch schlankes Rohrfachwerk und Vermeidung sichtbarer Widerlagerwände Seite 8

9 Konstruktionsbeschreibung Bauentwurf - Anlehnung an das charakteristische Erscheinungsbild der Strecke mit seinem hohen gestalterischen Anspruch - Entfall von Mittelstützen tzen - Transparenz und Leichtigkeit durch gevoutetes, aufgelöstes Fachwerk - Widerlager ohne sichtbare Wände - Rohre als zukunftsweisende Profile mit geschweißten Knoten Seite 9

10 Konstruktionsbeschreibung Längsschnitt und Grundriss Seite 10

11 Regelquerschnitt Stahlverbundbauweise Konstruktionsbeschreibung Untergurt 813 mm; Obergurt 508 mm; Diagonale 475 mm; Wanddicken bis 50 mm Seite 11

12 Verfahrensprüfung fung Verfahrensprüfung (zerstörende Prüfung) in Anlehnung an die EN ISO durch die LGA Bautechnik GmbH Fertigung des Überbaus (Stahlbau) durch STS Stahltechnik GmbH durch 5 vorgesehene Schweißer mit Zusatzprüfung nach DIN (Stahlbauten / Tragwerke aus Hohlprofilen) Fertigung eines Prüfknotens unter wirklichkeitsnahen Bedingungen mit originalen Abmessungen und Wandstärken HV - Naht bei Öffnungswinkel > 60 ; Kehlnaht bei Öffnungswinkel < 30 Schweißnahtprüfung am BV (nach Fertigung) bei 50% der Knotenschweißungen (HV- Nähte) Kehlnähte stichprobenartig =>Geschweißte Fachwerkknoten leicht zu überprüfen und schadenstolerant im Gegensatz zu Stumpfstößen bei z.b. Gussknotenverbindung Seite 12

13 Verfahrensprüfung fung Seite 13

17 Ergebnisse Verfahrensprüfung fung Makroschliffe Generelle Bewertung aus dem Zwickelbereich und bei Nahtöffnung unter 30 nur hinsichtlich Fehler im Schweißgut und vorhandenem Nahtquerschnitt Seite 17

18 Ergebnisse Verfahrensprüfung fung Härteprüfung Überschreitung von zul HV10 (380) mit 387 HV10 an einem Messpunkt Ursache möglicherweise zu geringe Vorwärmtemperatur Seite 18

19 Ergebnisse Verfahrensprüfung fung Ultraschallprüfung Wurzelbindefehler in Bereichen bis Nahtöffnungswinkel 30 Ausreichender Luftspalt, um sicheres Durchschweißen zu erreichen Oberflächenrissprüfung Magnetpulverprüfung ergab keine Beanstandungen Seite 19

20 rechnerische Nachweisführung hrung Mögliche Nachweisführung zur Ermüdungsfestigkeit: Nennspannungsnachweis Berechnung der globalen Spannungsschwingbreiten am Stabsystem Bewertung mit Hilfe der Kerbfalltabellen EC3 Strukturspannungsnachweis Berechnung der Spannungen an der rissgefährdeten Stelle im Tragwerk; Nachweise beinhalten den Spannungszuwachs aus der örtlichen Tragwerksgeometrie Extrapolation der lokalen Spannungen am Schweißnahtfuß (SCF) Kerbspannungsnachweis Betrachtung der Kerbspannungen im Kerbgrund durch FEM (exaktes Erfassen der geometrischen Gegebenheiten erforderlich) Bruchkriterienmethode Nachweisführung unter Berücksichtigung der Brucharten von Hohlprofilknoten. Bewertung durch Diagramme auf Grundlage zahlreicher Wöhlerversuche an Hohlprofilverbindungen (keine explizite Regelungen im DIN Fachbericht 103 zu geschweißten Hohlprofilkonstruktionen) Seite 20

21 rechnerische Nachweisführung hrung Nachweisführung Strukturspannungsnachweis durch FEM und Vergleich mit Vorgaben des CIDECT Book Nr 8 unter Berücksichtigung des Maßstabseffektes Seite 21

22 rechnerische Nachweisführung hrung Brucharten bei Hohlprofilknoten unter Ermüdung Bruch-Kriterien-Methode Seite 22

23 rechnerische Nachweisführung hrung Vergleichende Berechnungen in Anlehnung an EC3; Nennspannungskonzept (Tabelle 8.7) Seite 23

24 rechnerische Nachweisführung hrung - DIN- Fachbericht regelt geschweißte Fachwerkknoten nicht explizit - EC3 regelt Schweißnahtdetails und Wanddickenabhängigkeit ngigkeit nur unzureichend => Zustimmung im Einzelfall Versuchstechnische Untersuchungen zur - Verifizierung der statischen Berechnungen nach der Bruchkriterienmethode enmethode und dem Strukturspannungskonzept - Bewertung des Maßstabseffektes - Bestätigung tigung der lokalen Bezugsspannungen gemäß CIDECT Book 8 - Erhöhung hung der Ermüdungsfestigkeit durch UIT-Behandlung - Tragverhalten reparaturgeschweißter ter Knoten Seite 24

25 UIT- Verfahren Lebensdauer von geschweißten Konstruktionen unter dynamischer Belastung wird bestimmt durch Schweißnahtausführung und Kerbschärfe ( geometrischer Spannungszustand / Eigenspannungen) Versagen - Schweißnahtübergang - Wurzelpunkt Seite 25

26 UIT- Verfahren Schweißnahtnachbehandlungen, wirksam im Bereich des Schweißnahtübergangs, können in zwei Gruppen aufgeteilt werden -mechanisch wirksame Methoden - Kugelstrahlen, Hämmern / Nageln, UIT HiFIT, PITec -geometrisch wirksame Methoden - Schleifen, (UIT, HiFIT, PITec) Die mechanisch wirksamen Methoden erzeugen Druckeigenspannungen an der Oberfläche und erzielen eine Verfestigung der oberflächennahen Schichten (Kaltverformung) und somit an den Stellen, an denen der Riss initiiert wird. Durch die geometrisch wirksamen Methoden wird die Schweißnahtgeometrie verbessert und somit die Kerbwirkung entschärft. Seite 26

27 UIT- Verfahren UIT (Ultrasonic Impact Treatment) basiert auf einer Umwandlung von harmonischen Schwingungen durch einen Ultraschallwandler in mechanische Impulse und hochfrequenter Ultraschallenergie, die über gehärtete Bolzen auf die zu behandelnde Oberfläche übertragen werden. Während diesem Vorgang wird das Spannungsprofil geändert und bei Schweißnähten die Geometrie des Nahtüberganges wesentlich verbessert. Schweißnahtnachbehandlung zur Reduzierung von negativen Eigenspannungen Einbringen von Druckeigenspannungen in der Oberfläche Verbesserung der Schweißnahtgeometrie Daraus resultiert eine signifikante Verbesserung der Ermüdungslebensdauer bzw. eine wesentliche Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit Seite 27

28 UIT- Verfahren Unterschiedliche Versagensformen an geschweißten Rohrverbindungen Seite 28

29 UIT- Verfahren Seite 29

30 UIT- Behandlung im Werk UIT- Verfahren Seite 30

31 Versuchstechnische Untersuchungen Schwerpunkte der Prüfungen - Ermüdungsfestigkeit Schweißzustand - Ermüdungsfestigkeit nach Reparaturschweißung - Ermüdungsfestigkeit nach UIT- Verfahren (Ultraschallhämmern) Seite 31

32 Versuchstechnische Untersuchungen Seite 32

33 Versuchstechnische Untersuchungen Probekörper rper HS MünchenM Seite 33

34 Versuchstechnische Untersuchungen Probekörper rper Universität t der Bundeswehr F max = 140 to Seite 34

35 Versuchstechnische Untersuchungen Schenk 600 kn Pulsator - Frequenzen bis 35 Hz - Prüflasten Fo = 600 kn - liegende Bauweise - Schwingung in Eigenfrequenz über Unwuchtmotoren Seite 35

36 Versuchstechnische Untersuchungen Wöhlerversuche σ = min. 26 N/mm² max. 52 N/mm² (Nennspannung Füllrohr) Bei κ = 0,1 Abschaltkriterien über Maschinensteuerung Nachfolgende Werte bei Wegzunahme 0,1 mm F [kn] ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 s [sec] Seite 36

37 Versuchstechnische Untersuchungen Ergebnisse Auswertung der Ermüdungsversuche - Durch Statistik wird aufgrund vorliegender Versuchswerte (Stichproben) auf die Eigenschaften der Grundgesamtheit geschlossen - Durch Regressionsanalyse der Datenpaare (Versuchsergebnisse) im doppelt logarithmischen Maßstab wird die Mittelwertkurve (50 % Überlebenswahrscheinlichkeit Pü) erfasst => Ermüdungsfestigkeit σc in Abhängigkeit der Steigung bei 2 Mio Lastwechsel - Streubereich wird festgelegt Vertrauensintervall Pa (75%) und Überlebenswahrscheinlichkeit Pü (97,5%) unter Annahme der Normalverteilung (Gaußsche Glockenkurve) Seite 37